Storstilt studie avslører vanlige funksjonelle og strukturelle mønstre av hjernealdring

Storstilt studie avslører vanlige funksjonelle og strukturelle mønstre av hjernealdring

Sunn aldring fører til parallelle endringer i hjernens funksjonelle aktivitet og strukturell morfologi, men samspillet mellom disse endringene er fortsatt uklart. Prof. Yuhui Du sitt team ved College of Computer and Information Technology, Shanxi University, i samarbeid med Prof. Vince D. Calhoun (Georgia State University), analyserte multimodale nevroimagingdata fra 27 793 friske frivillige (i alderen 49-76 år) i den britiske biobanken. De foreslo et enhetlig rammeverk for enkel-modal og multimodal hjernealderprediksjon og felles funksjonell-strukturell aldringsanalyse, som systematisk karakteriserer ulike synergistiske og motstridende aldringsmønstre mellom funksjonell nettverkstilkobling (FNC) og gråstoffvolum (GMV). Det er viktig at disse leddmønstrene også var assosiert med spesifikk kognitiv nedgang. Studien, med tittelen "Joint Aging Patterns in Brain Function and Structure Revenue Using 27.793 Samples," ble publisert i Research (2025, 8:0887; DOI: 10.34133/research.0887).

bakgrunn

Aldersrelatert kognitiv nedgang er nært knyttet til endringer i hjernestruktur og funksjonelle interaksjoner. De fleste tidligere nevroimaging-studier har undersøkt aldring ved bruk av en enkelt modalitet, enten strukturell MR (sMRI) eller funksjonell tilkobling avledet fra hviletilstand fMRI (rs-fMRI). Imidlertid henger hjernens funksjon og struktur sammen og utvikler seg sammen etter hvert som vi blir eldre. Å studere bare én modalitet gjør det vanskelig å tyde de sanne mekanismene for kognitiv aldring. Videre kobler mange multimodale hjernealdringsstudier ganske enkelt funksjonelle og strukturelle egenskaper, noe som ofte resulterer i at de sterkere strukturelle egenskapene overskygger mer subtile funksjonelle bidrag. Dette kan føre til at ekte leddaldringsmønstre blir savnet.

Forskningsfremgang

For å møte disse utfordringene utviklet forfatterne et enhetlig multimodalt rammeverk for prediksjon av hjernealder og felles aldringsanalyse (fig. 1). Spesifikt ble alder spådd separat fra helhjerne-FNC og GMV ved å bruke en nestet, to-lags, 10 ganger kryssvalidert lasso-regresjon, noe som resulterte i robuste aldersrelaterte funksjonelle og strukturelle egenskaper. Viktige FNC- og GMV-funksjoner identifisert fra individuelle modaliteter ble slått sammen og evaluert under det samme nestede kryssvalideringsskjemaet for å sikre rettferdig multimodal sammenligning og forhindre strukturell dominans. Til slutt ble hver pålitelig FNC paret med GMV-ene til de to tilkoblede regionene for å danne vanlige aldringsendringer, noe som muliggjorde systematisk karakterisering av synergistiske (eller motstridende) funksjonelle-strukturelle endringer og deres kognitive relevans.

Studien bekreftet at GMV-baserte modeller utkonkurrerte FNC-baserte modeller i aldersprediksjon, noe som indikerer sterkere strukturell følsomhet for aldring. Det er avgjørende at den multimodale modellen som kombinerte FNC- og GMV-funksjoner oppnådde den høyeste prediksjonsnøyaktigheten (fig. 2), og fremhever behovet for en integrert analyse for en omfattende forståelse av hjernealdring.

Ytterligere analyse av de vanlige FNC-GMV-endringene avslørte to primære aldringsmønstre (fig. 3):
Synergistiske endringer: Samtidig reduksjon i FNC-styrke og GMV, hovedsakelig observert i lillehjernen, frontalpolen, paracingulate gyrus og precuneus cortex. Dette mønsteret antyder koordinert funksjonell og strukturell degenerasjon i områder som kontrollerer motorisk kontroll og høyere ordens kognisjon.

Motstridende endringer: Økt FNC kombinert med GMV-reduksjon forekommer primært i visuelle områder som den occipitale polen og lateral occipital cortex. Dette antyder adaptiv funksjonell forbedring for å motvirke strukturell nedgang.

Spesielt var visse leddforandringer sterkt assosiert med forverringer i visse kognitive domener (fig. 4). Motstridende endringer i visuelle områder korrelerte sterkest med flytende intelligens og numerisk minne, noe som gjenspeiler adaptiv vedlikehold av visuell informasjonsbehandling. I motsetning til dette var den synergistiske nedgangen mellom cerebellar crus I og paracingulate gyrus assosiert med langsommere reaksjonstid, noe som tyder på direkte effekter av sansemotoriske og oppmerksomhetsmessige kretser.

Betydning og fremtidsutsikter

Denne storskala studien gir direkte bevis for vanlige funksjonelle-strukturelle endringer i sunn hjernealdring og avdekker en kompleks dynamisk prosess som involverer både utbredt synergistisk degenerasjon og lokalisert kompenserende tilpasning. Resultatene utvider ikke bare vår forståelse av de nevrobiologiske mekanismene som ligger til grunn for differensiell kognitiv nedgang, men legger også et grunnlag for utviklingen av multimodale nevroimaging biomarkører og målrettede tidlige intervensjonsstrategier.

Kilder: